轴芯冷却结构、电主轴及加工设备的制作方法

[0001]
本公开属于电主轴技术领域，具体涉及一种轴芯冷却结构、电主轴及加工设备。


背景技术：

[0002]
目前电主轴在冷却介质上主要为空气与冷却水；在冷却形式上普遍采用冷却介质流经热源轴套部位带走热量，此种冷却方式一般只能带走电机处热量。对电主轴的轴承，特别是轴承内圈冷却效果较差，而轴承内圈冷却效果差，会造成轴承内圈膨胀影响预紧量从而导致轴承在非最佳工况运行，使寿命减少。轴承产生的热量以及电机产生的热量又可分别通过轴承内轨道接触面与定子、转子气隙传导至轴芯上，从而使主轴发生热伸长，影响主轴加工精度、重复定位精度及主轴热稳定性。


技术实现要素：

[0003]
因此，本公开要解决的技术问题是相关技术中轴芯冷却结构对轴承的冷却效果较差，从而提供一种轴芯冷却结构、电主轴及加工设备。
[0004]
为了解决上述问题，本公开提供一种轴芯冷却结构，包括：
[0005]
冷却流道，冷却流道设置在轴芯内，冷却流道内通入第一冷却介质，冷却流道被配置为借助第一冷却介质吸收轴芯的热量，对轴芯进行冷却；
[0006]
热交换装置，热交换装置设置在轴芯的内部，热交换装置的位置靠近装配在轴芯外的轴承，热交换装置与冷却流道相连通，热交换装置被配置为使冷却流道内的第一冷却介质吸收靠近轴承的轴芯的热量，对轴芯、轴承进行冷却。
[0007]
在一些实施例中，热交换装置包括换热腔、至少一个换热壁，换热腔内填充第二冷却介质，至少一个换热壁设置在换热腔与冷却流道之间，换热腔被配置为借助第二冷却介质吸收靠近轴承的轴芯的热量，至少一个换热壁被配置为借助冷却流道内的第一冷却介质吸收第一冷却介质的热量。
[0008]
在一些实施例中，换热壁为冷却流道的外壁凸至换热腔内形成，和/或，换热壁为换热腔的外壁凸至冷却流道内形成。
[0009]
在一些实施例中，当换热壁为冷却流道的外壁凸至换热腔内形成的倒u形时，倒u形的内部流通第一冷却介质，倒u形的外部流通第二冷却介质。
[0010]
在一些实施例中，冷却流道包括沿循环部、入口部、出口部，循环部沿轴芯轴向和环向设置，入口部、出口部分别沿轴芯的径向设置，第一冷却介质由入口部进入，沿循环部在轴芯内部沿轴向和环向流动，并由出口部流出。
[0011]
在一些实施例中，冷却流道还包括扇环形流通部，扇环形流通部设置在入口部与循环部之间，及出口部与循环部之间，扇环形流通部被配置为防止第一冷却介质由入口部流入后直接由出口部流出。
[0012]
在一些实施例中，第一冷却介质为空气。
[0013]
在一些实施例中，轴芯冷却结构还包括锁紧螺母流道，锁紧螺母流道设置在电主
轴的锁紧螺母上。
[0014]
在一些实施例中，锁紧螺母流道包括第一环段槽，第一环段槽开设在锁紧螺母的外周面，第一环段槽底部设有与冷却流道相通的第一气孔。
[0015]
在一些实施例中，第一环段槽为多个，多个第一环段槽沿周向均匀间隔地开设在锁紧螺母的外周面上。
[0016]
在一些实施例中，锁紧螺母的周向外侧装配有端部压盖，端部压盖上设有压盖流道，压盖流道与锁紧螺母流道的轴向位置对应，端部压盖的内壁与锁紧螺母的外壁间隙配合。
[0017]
在一些实施例中，轴芯冷却结构还包括密封环流道，密封环流道设置在电主轴的密封环上。
[0018]
在一些实施例中，密封环流道包括第二环段槽，第二环段槽开设在密封环的外周面，第二环段槽底部设有与冷却流道的第二气孔。
[0019]
在一些实施例中，第二环段槽为多个，多个第二环段槽沿周向均匀间隔地开设在密封环的外周面上。
[0020]
在一些实施例中，密封环的周向外侧装配有轴承座，轴承座上设有轴承座流道，轴承座流道与密封环流道的轴向位置对应，轴承座的内壁与密封环的外壁间隙配合。
[0021]
一种电主轴，包括轴芯，及上述的轴芯冷却结构。
[0022]
在一些实施例中，电主轴还包括第一前轴承、第二前轴承、后轴承；
[0023]
第一前轴承、第二前轴承对应的轴芯内设有前冷却流道，第一前轴承对应的轴芯内还设有第一热交换装置，第二前轴承对应的轴芯内还设有第二热交换装置，第一热交换装置、第二热交换装置分别与前冷却流道相连通；
[0024]
和/或，后轴承对应的轴芯内设有后冷却流道及第三热交换装置，第三热交换装置与后冷却流道相连通。
[0025]
一种加工设备，采用上述的轴芯冷却结构，或上述的电主轴。
[0026]
本公开提供的轴芯冷却结构、电主轴及加工设备至少具有下列有益效果：
[0027]
本公开的轴芯冷却结构，用于电主轴的轴芯的冷却，通过在靠近轴承的轴芯内设置热交换装置，轴承产生并传递至轴芯上的热量，被热交换装置吸收后，轴芯及轴承的温度得到降低，可以使电主轴的轴芯得到冷却的同时，对轴承等关键部位进行定点冷却，且不对电主轴其它部位造成污染主轴，使得冷却更具指向性，提升轴承的使用寿命，提高了电主轴极限转速，同时降低了轴芯温升，使电主轴加工精度得到提升。
附图说明
[0028]
图1为本公开实施例的轴芯冷却结构的结构示意图；
[0029]
图2为本公开实施例的冷却流道的结构示意图；
[0030]
图3为图2中a-a处的截面图；
[0031]
图4为图2中b-b处的截面图；
[0032]
图5为本公开实施例的热交换装置的结构示意图；
[0033]
图6为本公开实施例的锁紧螺母的结构示意图；
[0034]
图7为本公开实施例的密封环的结构示意图。
[0035]
附图标记表示为：
[0036]
1、轴芯；2、冷却流道；2.1、循环部；2.2、入口部；2.3、出口部；2.4、扇环形流通部；3、热交换装置；3.1、换热腔；3.2、换热壁；4、轴承；4.1第一前轴承；4.2、第二前轴承；4.3、后轴承；5、锁紧螺母流道；5.1、第一环段槽；5.2、第一气孔；6、锁紧螺母；7、端部压盖；8、压盖流道；9、密封环流道；9.1、第二环段槽；9.2、第二气孔；10、轴承座；11、轴承座流道；12、前冷却流道；13、后冷却流道；14、第一热交换装置；15、第二热交换装置；16、第三热交换装置；17、密封环。
具体实施方式
[0037]
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本公开具体实施例及相应的附图对本公开技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
[0038]
结合图1至图7所示，本公开实施例提供了一种轴芯冷却结构，包括：冷却流道2，冷却流道2设置在轴芯1内，冷却流道2内通入第一冷却介质，冷却流道2被配置为借助第一冷却介质吸收轴芯1的热量，对轴芯1进行冷却；热交换装置3，热交换装置3设置在轴芯1的内部，热交换装置3的位置靠近装配在轴芯1外的轴承4，热交换装置3与冷却流道2相连通，热交换装置3被配置为使冷却流道2内的第一冷却介质吸收靠近轴承4的轴芯1的热量，对轴芯1、轴承4进行冷却。
[0039]
本公开实施例提供的轴芯冷却结构，用于电主轴的轴芯的冷却，相较于相关技术中的轴芯冷却结构，通过在靠近轴承4的轴芯1内设置热交换装置3，加强冷却流道2与该处的轴芯1的热交换效率，轴承4产生并传递至轴芯1上的热量，被热交换装置3吸收后，轴芯1及轴承4的温度得到降低，可以使电主轴的轴芯1得到冷却的同时，对轴承4等关键部位进行定点冷却，且不对电主轴其它部位造成污染主轴，使得冷却更具指向性，提升轴承4的使用寿命，提高了电主轴极限转速，同时降低了轴芯温升，使电主轴加工精度得到提升。
[0040]
在本实施例中，热交换装置3设置在与轴承4接触的轴芯1处，对轴承4处进行定点冷却，在其它实施例中，还可以在电机转子、密封挡圈等其它关键部位设置热交换装置3，对其进行定点、指向性冷却。
[0041]
在一些实施例中，由于热交换装置3设置在轴芯1内部，要求其具有较小的体积及较高的热交换能量，热交换装置3包括换热腔3.1、至少一个换热壁3.2，换热腔3.1内填充第二冷却介质，至少一个换热壁3.2设置在换热腔3.1与冷却流道2之间，换热腔3.1被配置为借助第二冷却介质吸收靠近轴承4的轴芯1的热量，至少一个换热壁3.2被配置为借助冷却流道2内的第一冷却介质吸收第一冷却介质的热量。第二冷却介质具有高于轴芯1的比热容，如水和防腐剂的混合吸热物质，其具有较强的从轴芯1中吸收热量的能力。
[0042]
通过设置换热腔3.1和换热壁3.2的组合，并在换热腔3.1内填充高比热容的冷却介质，提高了热交换装置3的吸热能力和热交换能力。
[0043]
在一些实施例中，换热壁3.2为冷却流道2的外壁凸至换热腔3.1内形成，和/或，换热壁3.2为换热腔3.1的外壁凸至冷却流道2内形成。
[0044]
换热壁3.2用于第一冷却介质和第二冷却介质之间的热量交换，换热壁3.2设计为
凸起形状的，如倒u形、倒v形、弧形、i形，可以有效增加换热壁3.2的有效传热面积，提高换热效率。
[0045]
在一些实施例中，当换热壁3.2为冷却流道2的外壁凸至换热腔3.1内形成的倒u形时，倒u形的内部流通第一冷却介质，倒u形的外部流通第二冷却介质。换热壁3.2两侧分别与第一冷却介质和第二冷却介质接触，热量通过换热壁3.2传递，换热面积大，传热效率高。
[0046]
在一些实施例中，冷却流道2包括沿循环部2.1、入口部2.2、出口部2.3，循环部2.1沿轴芯1轴向和环向设置，入口部2.2、出口部2.3分别沿轴芯1的径向设置，第一冷却介质由入口部2.2进入，沿循环部2.1在轴芯1内部沿轴向和环向流动，并由出口部2.3流出。
[0047]
冷却流道2具有单向流通路径，第一冷却介质在冷却流道2内单向流动，将轴芯1、轴承4的热量带走，且第一冷却介质在轴芯1内同时沿轴向和环向流动，对轴芯1进行均匀冷却。
[0048]
在一些实施例中，循环部2.1可以设计为环形形式，也可以是螺旋形式，能够使得第一冷却介质沿轴向和周向流动。
[0049]
在一些实施例中，冷却流道2还包括扇环形流通部2.4，扇环形流通部2.4设置在入口部2.2与循环部2.1之间，及出口部2.3与循环部2.1之间，扇环形流通部2.4被配置为防止第一冷却介质由入口部2.2流入后直接由出口部2.3流出。
[0050]
在电主轴中，入口部2.2与出口部2.3的轴向位置重合，假如没有扇环形流通部2.4，第一冷却介质由入口部2.2流入后，会在离心力作用下直接涌向出口部2.3，并从出口部2.3喷出，无法带走热量，起不到冷却轴芯1的效果。因此，需要设置扇环形流通部2.4，入口部2.2和出口部2.3的两个扇环形流通部2.4在结构上相当于将完整的环形分隔为两部分，两部分的扇环形流通部2.4在周向或环向上不连通，扇环形流通部2.4只与循环部2.1在轴向上相互连通。
[0051]
同时，扇环形流通部2.4又尽可能扩大了入口或出口处的有效流通面积，使第一冷却介质与入口处或出口处的流通更加顺畅，暴露在第一冷却介质中的轴芯1表面积更大，有助于轴芯1的冷却。
[0052]
在一些实施例中，第一冷却介质为空气，空气作为冷却介质具有流速高、流通能力强，不会对电主轴内其它部位，如油润滑部件，造成污染。
[0053]
由于热交换装置3内部添加的第二冷却介质具有高吸热性能且密封不易泄露，而流道内风冷即使泄露也不会有液冷泄露污染的问题。本实施例的冷却结构结合了风冷及水冷的优点，具有良好的冷却性能。
[0054]
相关技术中，高速加工中心电主轴设计了出水式轴芯冷却结构，但这种中心出水式的轴芯冷却结构复杂，成本高，轴尾部的旋转接头对密封性要求极高，相关技术中的中心出水式轴芯冷却结构，需要至少两路流道，一路冷却轴芯，另一路冷却主轴壳体，轴芯冷却的流道进出水口对密封结构的设计要求非常高。
[0055]
在一些实施例中，轴芯冷却结构还包括锁紧螺母流道5，锁紧螺母流道5设置在电主轴的锁紧螺母6上。在电主轴结构中，第一前轴承4.1装配在轴芯1上后，第一前轴承4.1的内圈通过锁紧螺母6进行锁紧，第一前轴承4.1的内圈和锁紧螺母6一起随轴芯1旋转，为了便于向靠近第一前轴承4.1的轴芯1内通入第一冷却介质，需要在锁紧螺母6上设计流道。
[0056]
由于锁紧螺母6随轴芯1高速旋转，而再外部的端部压盖7不会随轴芯1旋转，向锁
紧螺母流道5提供第一冷却介质的压盖流道8周向位置固定，因此锁紧螺母流道5包括第一环段槽5.1，第一环段槽5.1开设在锁紧螺母6的外周面，第一环段槽5.1底部设有与冷却流道2相通的第一气孔5.2。
[0057]
第一环段槽5.1起到了增大第一冷却介质的接收体积，当锁紧螺母6旋转过程中，整个第一环段槽5.1覆盖的扇形范围内都可以成功引入第一冷却介质，并将第一冷却介质进行短暂储存，并持续通过第一气孔5.2向轴芯1的冷却流道2供应，第一环段槽5.1的设计使得冷却结构的冷却介质流通效果更好，且不会影响旋转功能。
[0058]
在一些实施例中，第一环段槽5.1为多个，多个第一环段槽5.1沿周向均匀间隔地开设在锁紧螺母6的外周面上。多个第一环段槽5.1更能起到暂时存储第一冷却介质，提高第一冷却介质流通效果的作用。
[0059]
在一些实施例中，锁紧螺母6的周向外侧装配有端部压盖7，端部压盖7上设有压盖流道8，压盖流道8与锁紧螺母流道5的轴向位置对应，压盖流道8在锁紧螺母6旋转过程中持续向锁紧螺母流道5供气，端部压盖7的内壁与锁紧螺母6的外壁间隙配合，刻意使一些第一冷却介质沿轴向泄露，泄露的第一冷却介质经过小间隙可以直接用于带动轴芯1外表面的介质流动，起到冷却轴承4外圈等作用。
[0060]
在一些实施例中，轴芯冷却结构还包括密封环流道9，密封环流道9设置在电主轴的密封环17上。在电主轴结构中，后轴承4.3装配在轴芯1上手，后轴承4.3内圈需要配合轴承内外挡圈轴向固定，密封环17同样随轴芯1旋转，为了便于向靠近后轴承4.3的轴芯1内通入第一冷却介质，需要在密封环17上设计流道。
[0061]
在一些实施例中，密封环流道9包括第二环段槽9.1，第二环段槽9.1开设在密封环的外周面，第二环段槽9.1底部设有与冷却流道2的第二气孔9.2。
[0062]
第二环段槽9.1的作用与锁紧螺母6上第一环段槽5.1的作用相同，此处不再赘余。
[0063]
在一些实施例中，第二环段槽9.1为多个，多个第二环段槽9.1沿周向均匀间隔地开设在密封环的外周面上。多个第二环段槽9.1更能起到暂时存储第一冷却介质，提高第一冷却介质流通效果的作用。
[0064]
在一些实施例中，密封环17的周向外侧装配有轴承座10，轴承座10上设有轴承座流道11，轴承座流道11与密封环流道9的轴向位置对应，轴承座10的内壁与密封环的外壁间隙配合，刻意使一些第一冷却介质沿轴向泄露，泄露的第一冷却介质经过小间隙可以直接用于带动轴芯1外表面的介质流动，起到冷却轴承4外圈等作用。
[0065]
结合图1-7所示，本公开还提供了一种电主轴，包括轴芯1，及上述的轴芯1冷却结构。
[0066]
在一些实施例中，电主轴还包括第一前轴承4.1、第二前轴承4.2、后轴承4.3；第一前轴承4.1、第二前轴承4.2对应的轴芯1内设有前冷却流道2，第一前轴承4.1对应的轴芯1内还设有第一热交换装置14，第二前轴承4.2对应的轴芯1内还设有第二热交换装置15，第一热交换装置14、第二热交换装置15后轴承分别与前冷却流道2相连通；
[0067]
和/或，后轴承4.3对应的轴芯1内设有后冷却流道2及第三热交换装置16，第三热交换装置16与后冷却流道2相连通。
[0068]
本实施例提供的电主轴，在轴芯1内设计前后两个冷却流道的基础上，分别针对第一前轴承4.1、第二前轴承4.2、后轴承4.3设置三个热交换装置，进行关键部位定点冷却，提
升了轴承4的使用寿命，提高了电主轴极限转速，同时降低了轴芯温升，使电主轴加工精度得到提升。
[0069]
去除了传统轴芯冷却方式采用旋转接头等复杂密封性的部件，大大简化了电主轴轴芯的冷却方式。
[0070]
在一些实施例中，前冷却流道12与后冷却流道13沿轴芯1的轴向串联，从而一个轴芯1上可以只设计一个入口和一个出口，进一步简化冷却结构的结构。
[0071]
在一些实施例中，电主轴还包括前法兰、前隔环、内隔环ⅰ、外隔环ⅰ、前轴承座、轴套、冷却水套、电机定子、电机转子、后端压盖、后轴承锁紧螺母、后轴承外隔环ⅰ、后轴承内隔环ⅰ、后轴承外隔环ⅱ、后轴承内隔环ⅱ。
[0072]
本实施例的电主轴轴芯1前端各零部件装配时：
[0073]
首先，将前隔环、第二前轴承4.2依次套设于轴芯1上，保证第二前轴承4.2的内圈与轴芯1外表面过盈配合；再将前轴承座套设于该前轴承外圈面上；将第一前轴承4.1包括内隔环、外隔环同时嵌套于轴芯1与前轴承座上，保证该轴承内圈与轴芯外表面过盈配合。
[0074]
其次，将端部压盖8套设于前轴承座上，并依据设计好的预压量将第一前轴承4.1外圈进行预紧，预紧后将前端气密封环套设于端部压盖8上。
[0075]
最后，利用力矩扳手将防尘盖以一定预紧力将前轴承内圈进行预紧。从而完成轴芯前端各零部件的组装。
[0076]
本实施例的电主轴轴芯1中间各部件装配时：
[0077]
将转子组件套设于轴芯1上，将密封环17、后轴承4.3依次套设于轴芯1上，保证后轴承4.3内圈与轴芯1外表面过盈配合。
[0078]
本实施例的电主轴轴套后端各零部件装配时：
[0079]
将后端压盖套设于电机定子冷却套上，紧固后将轴承座10同时嵌套于后端压盖与后轴承4.3外圈上。依据设计好的预压量将靠后端的第一前轴承4.1以及后轴承4.3进行预紧。将后端压盖套设于轴承座10上，并进行紧固。
[0080]
一种加工设备，采用上述的轴芯1冷却结构，或上述的电主轴。
[0081]
本领域的技术人员容易理解的是，在不冲突的前提下，上述各有利方式可以自由地组合、叠加。
[0082]
以上仅为本公开的较佳实施例而已，并不用以限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。以上仅是本公开的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本公开技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本公开的保护范围。